Titanová slitina TC4 je široce používána v letectví, chemii, biomedicíně a dalších důležitých oblastech kvůli její odolnosti proti korozi, vysoké specifické pevnosti, dobré houževnatosti a vynikající biokompatibilitě. Zpracování titanové slitiny TC4 tradičním procesem má však nedostatky v nízkém využití materiálu, vysokých výrobních nákladech a obtížné deformaci, což vážně omezuje popularizaci a aplikaci titanové slitiny TC4, a vznik technologie 3D tisku tuto situaci zlepší. .
3D tisk, jehož vědecký název je aditivní výroba, vznikl v technologii rychlého prototypování v 90. letech minulého století. Na rozdíl od subtraktivní výroby používá diskrétní/stohovací princip, využití počítačové technologie ke zpracování částí 3D objemového modelu nařezaného na sérii tenkých plátků s určitou tloušťkou, 3D tiskové zařízení pro zpracování analýzy dat a zpracování spojitých zpracování každého tenkého plátku a stohování s následným vytvořením hustých pevných částí. Technologie 3D tisku je vhodná pro zpracování libovolných tvarů dílů a má vysokou míru využití materiálu, nízkou cenu, technologie 3D tisku je vhodná pro zpracování dílů jakéhokoli tvaru a má výhody vysokého využití materiálu, nízké náklady, vysoká flexibilita a vysoká integrace, zvláště vhodné pro lisování titanové slitiny TC4. Technologie 3D tisku zahrnuje především technologii selektivního laserového tavení a formování (selektivní laserové tavení (SLM), laserem navrženou technologii net shaping (laser engineering net shaping (LENS)) a technologii tavení a formování elektronovým paprskem (elektronový paprsek tavení (EBM)), což je nejpokročilejší technologie v oboru. tavení elektronovým paprskem (EBM). Mezi nimi má tvarování EBM mnoho výhod ve srovnání s dalšími dvěma technologiemi tvarování: (1) Lisování EBM využívá elektronový paprsek jako zdroj energie, žádný odraz ve výrobním procesu , vysoké využití energie; (2) Lisování EBM se provádí ve vakuovém prostředí, které může účinně zabránit kontaminaci jiných prvků ve vzduchu; (3) Lisování EBM je účinnější než jiné technologie lisování díky vysokému vstupu energie a vysoká rychlost skenování; (4) Lisování EBM je účinnější než jiné technologie lisování díky vysokému vstupu energie a vysoké rychlosti skenování; (5) Lisování EBM je účinnější než jiné technologie lisování. (4) Lisovací díly EBM mají menší zbytkové napětí a nevyžadují následné tepelné zpracování, čímž šetří energii.
Tento příspěvek vychází z principu technologie EBM, shrnuje relevantní výsledky výzkumu u nás i v zahraničí, popisuje mikrostrukturu, defekty a mechanické vlastnosti dílů z titanové slitiny TC4 lisovaných pomocí EBM za různých procesních parametrů a nakonec se těší na vyhlídky jeho použití.
1.Princip a hlavní parametry EBM
Za prvé, software Magicsl9.0 rozřezává a vrství 3D model součásti podle určité tloušťky, aby získal celkové dvourozměrné informace o součásti. Poté systém EBM rovnoměrně rozprostírá slitinový prášek na substrát podle určité tloušťky a skenuje a roztaví prášek slitiny na substrátu elektronovým paprskem tvořeným proudem procházejícím wolframovým vláknem jako zdrojem tepla působením zaostřovací cívka a elektromagnetická vychylovací cívka. Každá skenovací tavící vrstva elektronového paprsku, stůl klesne o výšku vrstvy a poté znovu položí prášek, elektronový paprsek zopakuje skenovací proces tavení a každá zpracovaná vrstva se navzájem zkondenzuje do celku. Celý výrobní proces probíhá ve vakuovém prostředí, čímž se účinně zabrání možnosti oxidace titanové slitiny během zpracování. Po vyrobení systém EBM vyjme díl z konstrukční komory a umístí jej do systému získávání prášku (PRS), který využívá vysokotlaký vzduch k odstranění prášku ulpívajícího na povrchu dílu, což vede k lisovanému dílu s hladkým povrchem. .
Hlavní parametry technologie EBM jsou proud elektronového paprsku, urychlovací napětí, rychlost skenování, tloušťka vrstvy, vzdálenost skenovacích čar a kompenzace ohniska atd. Úpravou těchto parametrů lze získat různé hustoty energie, např. zvýšením proudu elektronového paprsku nebo snížením rychlosti skenování lze získat vyšší hustoty energie. Velikost hustoty energie značně ovlivňuje mikrostrukturu, vady a mechanické vlastnosti lisovaných dílů a vhodná hustota energie zajistí, že slitina bude mít lepší mechanické vlastnosti. Díky jedinečnému procesu lisování technologie EBM se mikrostruktura a mechanické vlastnosti lisovaných dílů z titanové slitiny TC4 liší od běžně vyráběných (např. kovaných) lisovaných dílů z titanové slitiny TC4.
2. Mikrostruktura a defekty titanové slitiny TC4 tváření EBM
2.1 Tvarování EBM Mikrostruktura a ovlivňující faktory titanové slitiny TC4
Změna teploty EBM tvářecí titanové slitiny TC4 v procesu tváření ovlivňuje její mikrostrukturu. Za prvé, prášek se taví působením elektronového paprsku a teplota kapalné slitiny dosáhne asi 1700 stupňů, což je mnohem vyšší než teplota fázového přechodu titanové slitiny TC4 (995 stupňů), v tomto okamžiku je kapalina slitina se skládá z původních zrn; a poté, když je elektronový paprsek pryč, je kapalná slitina rychle ochlazena na provozní teplotu (obecně 650-700 stupňů ), aby zůstala stabilní, a stane se pevným stavem, v tomto okamžiku slitina prochází → + a precipitace jehlicovité fáze. Precipitace jehlicovité fáze a sloupcové fáze. A1-Bermani a kol. věří, že v této fázi rychlosti ochlazování větší než 410 stupňů/s, dojde k vysrážení substabilního 'martenzitu, po dlouhou dobu v prostředí s vysokou teplotou a rozkladu + vrstvené struktury a většiny jemných jehličkovitých lišt a malého část fáze. Po vytvarování titanové slitiny TC4 stavební teplotou pomalu ochlazenou na pokojovou teplotu se mikrostruktura slitiny výrazně nezměnila, stále složená z + fáze. Lisování EBM titanové slitiny TC4 a kování mikrostruktury titanové slitiny TC4, jak je znázorněno na obrázku 2.
Vědci doma i v zahraničí pro lisování EBM Mikrostruktura titanové slitiny TC4 provedla mnoho výzkumu a zjistila, že parametry procesu lisování, umístění lisovacích dílů, velikost lisovacích dílů a další faktory ovlivní rychlost chlazení slitiny v procesu lisování. , což zase ovlivňuje velikost jeho zrnitosti. Hrabe a spol. zjistili, že za podmínek, které zajišťují, že lze provést vstup energie tak, aby se prášek titanové slitiny TC4 zcela roztavil na hustou část, přiměřeně zvýšil elektronový paprsek Rychlost skenování způsobuje snížení velikosti lázně taveniny a rychlosti ochlazování ke zvýšení, což má za následek vysrážení jemnějších -lamelů a -fází.Murr et al. a Wang a kol. zjistili, že mikrostruktury titanových slitin TC4 vytvořených EBM se na různých místech liší. Jak je znázorněno na obr. 3, poloha nižší nanášecí výšky v důsledku blíže k formovacímu substrátu a tedy vyšší rychlosti ochlazování je nestabilní růstová zóna, snadno se vysráží jemná jehličkovitá fáze; čím vyšší je ukládací výška polohy lišty silnější, tím větší jsou zrna; uložení určité výšky, lišta je ve stabilní růstové zóně, stejně jako zrnitost bývá stabilizovaná. Wang a kol. také zkoumal vliv velikosti lisovaných dílů na mikrostrukturu titanové slitiny TC4 vytvořené EBM a zjistil, že v procesu tavení a tuhnutí vrstva po vrstvě byla rychlost ochlazování menších vzorků větší, a proto se vysrážely jemnější -fáze.Galarraga et al. dále zkoumali a zjistili, že změna mikrostruktury titanové slitiny TC4 vytvořené EBM souvisela s dobou jejího zdržení ve stavební komoře a že doba zdržení byla příliš dlouhá, což by vedlo k ukládání nižší výšky a vyšší mikrostruktury v dno ukládací výšky. výška je nižší, mikrostruktura je hrubší výsledky.
2.2 Vady v EBM výlisku titanové slitiny TC4
Kvůli nesprávné volbě procesních parametrů nebo procesní interferenci může EBM lisování dílů z titanové slitiny TC4 způsobit různé vady. Zhai a kol. zjistili, že existují dva typické defekty v mikrostruktuře EBM výlisku titanové slitiny TC4: jedním je poréznost způsobená plynným argonem zachyceným v defektním prášku; druhou je poréznost způsobená špatným tavením slitinového prášku.
Gong a kol. klasifikoval defekty titanové slitiny TC4 do dvou hlavních kategorií podle úrovně hustoty energie vstupního elektronového paprsku. Když je hustota energie příliš nízká, nestačí zcela propojit lázeň taveniny s lázní taveniny a vrstvy s vrstvami, čímž se tvoří nepravidelné vady tavení doprovázené určitou mírou pórovitosti. Když je hustota energie příliš vysoká, což má za následek rychlý nárůst místního tepla, prášek taví působením balonování povrchového napětí (nízká tepelná vodivost prášku), a tím i vytváření pórů. kahnert a kol. zjistili, že přísun energie je příliš vysoký, nejen že se zhorší kvalita povrchu lisovaných dílů a ve vážných případech to povede k tomu, že zaměřovací stroj systému práškového lakování přestane fungovat, takže bude nutné přerušit samotný výrobní proces. Kromě toho, když proud elektronového paprsku překročí určitou prahovou hodnotu, slitinový prášek bude odfouknut, přičemž ve vrstvě zůstanou nepravidelné póry, což ve vážných případech způsobí kolaps celého práškového lože, jak je znázorněno na obrázku 5; předehřívání práškového lože pro zlepšení jeho adheze a překonání náporu elektronového paprsku na slitinový prášek může zabránit výskytu kolapsu prášku. Defekty budou mít negativní dopad na mechanické vlastnosti titanové slitiny C4 a parametry procesu EBM je třeba optimalizovat, jako je řízení rychlosti skenování, úprava rozteče skenovacích řádků a optimalizace proudu elektronového paprsku, aby se snížilo generování defektů.
3.Mechanické vlastnosti EBM lisované titanové slitiny TC4
3.1 Tahové vlastnosti EBM lisované titanové slitiny TC4
Bruno a kol. studoval tahové vlastnosti EBM-formovaných a kováním formovaných titanových slitin TC4, vzhledem k tomu, že EBM-formované titanové slitiny TC4 jsou náchylné k defektům pórů během lisovacího procesu a jejich distribuce mikrostruktury není homogenní, což má za následek nejvyšší pevnost v tahu a meze kluzu 996 MPa, resp. 919 MPa, které jsou o něco nižší než u slitin titanu TC4 tvářených kováním (mez kluzu a kluzu 1034 MPa a 991 MPa:); Wang a kol. mez kluzu 1034MPa, resp. 991MPa:); Wang a kol. také studoval tahové vlastnosti titanové slitiny TC4 lisované v EBM a zjistil, že její pevnost v tahu byla 1 002 MPa, mez kluzu byla 932 MPa a tažnost byla 14,4 %, z nichž všechny byly vyšší než u výkovků z titanové slitiny TC4 po zpracování žíháním a stárnutím. .
V mechanických vlastnostech EBM lisované titanové slitiny TC4 existuje významná anizotropie. Bruno a kol. a Hrabe a kol. zjistili, že pevnost v tahu lisovaných vzorků EBM v horizontálním směru je silnější než ve vertikálním směru a prodloužení lisovaných vzorků v horizontálním směru je menší než ve vertikálním směru. To je způsobeno nehomogenitou zrna B ve slitině: formovaný vzorek roste hlavně ve vertikálním směru; tvorba menších primárních zrn v horizontálním směru snižuje nahromadění napětí na hranicích zrn, což zpomaluje iniciaci trhlin a vede k mírně většímu prodloužení.
Hrabe a spol. zjistili, že zvýšení rychlosti skenování elektronovým paprskem (které negativně koreluje s hustotou energie) mělo za následek mírný pokles tloušťky lamel (1,16 μm → 0.95un), což zase zvýšilo pevnost v tahu pevnost, mez kluzu a mikrotvrdost o 2 %, 3 % a 2 %.
Formanoir a kol. EBM lití titanové slitiny TC4 byly udržovány při 950 stupních po dobu 60 minut a 1040 stupních po 30 minut, oba s použitím vodního chlazení a vzduchového chlazení dvěma způsoby chlazení, pevnost slitiny v tahu a mez kluzu mírně sníženy, prodloužení nezískalo významné zvýšení, což naznačuje, že pouze kontrola klíčových parametrů výlisku EBM je účinnou metodou zlepšení výkonu slitiny.
3.2 Únavové vlastnosti EBM lisované titanové slitiny TC4
Chan a kol. testovala únavovou životnost (počet cyklů) EBM vytvořené titanové slitiny TC4 a válcované titanové slitiny TC4 při střídavém namáhání v ohybu 600 MPa (±10 %). Výsledky ukazují, že únavová životnost titanové slitiny TC4 formované EBM je pouze 17 % únavové životnosti válcované slitiny; lom EBM formované titanové slitiny TC4 je distribuován s různými tvary pórů v důsledku špatně natavených oblastí a její povrchová drsnost je mnohem vyšší než u válcované titanové slitiny TC4, což je důležitý důvod její nízké únavové životnosti.
Tammas-Williams a kol. zjistili, že zpracování izostatickým tlakem za horka může účinně eliminovat většinu pórů v titanové slitině TC4 vytvořené EBM, ale pokud ve vzorcích existují tunelové otvory a jsou připojeny k povrchu, vysokotlaký argonový plyn při ošetření HIP pronikne do tunelové otvory, které způsobí, že se tyto defekty tunelování mírně rozšíří, což má za následek selhání ošetření HIP; přidání povlaků ke vzorkům před HIP může odstranit defekty tunelování. Shui a kol. zjistili, že po ošetření HIP titanové slitiny TC4 vytvořené pomocí EBM, ačkoli lamela zesílí, hustota dislokací se sníží a pevnost v tahu i mez kluzu se sníží z 870 MPa a 788 MPa na 819 MPa a 711 MPa, v tomto pořadí, ošetření HIP Díky tomu se organizace stává homogennější a relativní hustota slitiny stoupá z 99,3 % na 99,8 %, což snižuje zdroj praskání, což zase zvyšuje únavovou pevnost ze 460 boa na 580 MPa.
4.Závěr
Souhrnně lze konstatovat, že výsledky domácího a zahraničního výzkumu EBM tvořící titanovou slitinu TC4 ukazují, že: EBM tvořící titanovou slitinu TC4 makroskopická organizace pro růst sloupcových krystalů ve směru stavby, mikrostruktura pro + vrstvenou strukturu, čím rychlejší je rychlost ochlazování, snazší je získat jemnější mikrostrukturu. Optimalizace procesních parametrů zajišťuje, že EBM má nejlepší hustotu energie, která může účinně zabránit vzniku velkého počtu defektů. Následná úprava HOP je také schopna odstranit póry a homogenizovat mikrostrukturu, což výrazně zlepšuje únavové vlastnosti, i když vede k hrubnutí zrna, nižší hustotě dislokací a mírnému poklesu pevnosti slitiny. Optimalizaci parametrů procesu tváření EBM, doplněnou o vhodnou následnou úpravu, lze dosáhnout konvenčním odléváním a kováním titanových slitin TC4 se srovnatelným výkonem. EBM šetří suroviny, rychle, efektivně, snadno tvarovatelné složité tvary obrobku lisování, a postupně nahradí současné subtraktivní výrobní metody používané v leteckém, chemickém a lékařském oboru.
